DE3200362A1 - TEST DEVICE FOR DETERMINING VIBRATION PROPERTIES - Google Patents
TEST DEVICE FOR DETERMINING VIBRATION PROPERTIESInfo
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Description
Prüfeinrichtung zur Bestimmung von Schwingungseigenschaften Test device for determining vibration properties
Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung zur Bestimmung der Schwirigungseigenschaften von Ueßwertaufnehmern, bzw. Meßv/ertaufnahmesystemen mit piezoelektrischen' Meßelementen, mit einem am vorhandenen Ableitanschluß des zu prüfenden Meßwertaufnehmers anschließbaren Wechselspannungει generator zur Erregung mechanischer Schwingungen des Meßelementes über den inversen piezoelektrischen Effekt, und einem Meßsystem zur Messung und Auswertung dieser Schwingungen. The invention relates to a test device for determining the vibration properties of Ueßwertaufnehmer, or measuring recording systems with piezoelectric measuring elements, with an alternating voltage generator that can be connected to the existing discharge connection of the transducer to be tested for exciting mechanical vibrations of the measuring element on the inverse piezoelectric effect, and a measuring system for measuring and evaluating these vibrations.
Zur Bestimmung der Schwingungseigenschaften von piezoelektrischen Meßwertaufnehmern, welche üblicherweise zur Umsetzung von Zustandsanderungen mechanischer Art wie etwa Druckänderungen, Beschleunigungen oder dgl. in elektrische Signale dienen, sind mehrere Methoden bzw. l'rüfeinrichtungen bekannt. Im einfachsten Fall wird eine mechanische Stoßanregung der piezoelektrischen Meßelemente durch den Aufprall einer Kugel dazu benutzt, um die Meßelemente zu schwach gedämpften Schwingungen anzuregen, die an einem am vorhande- ^ -nen Ableitanschluß des zu prüfenden Meßwertaufnehmers angeschlossenen SpeicherOszillographen ausgezählt werden. Diese bekannte Methode hat den entscheidenden Nachteil,, daß durch die mechanische Stoßanregung nur eine gedämpfte Schwingung in einer Eigenfrequenz der jeweiligen Heßelemente angeregt werden kann und damit eine umfassende Aussage über das Schwingungsverhalten des Ließwertaufnehmers nicht möglich ist.For determining the vibration properties of piezoelectric Measurement transducers, which are usually used to implement changes in state of a mechanical nature such as Changes in pressure, accelerations or the like. In electrical Serving signals are several methods or testing devices known. In the simplest case, a mechanical shock excitation of the piezoelectric measuring elements is caused by the impact a ball is used to excite the measuring elements too weakly damped vibrations, which are ^ - connected to the discharge connection of the transducer to be tested Memory oscilloscope can be counted. This known method has the decisive disadvantage, that by the mechanical shock excitation only excites a damped oscillation in a natural frequency of the respective heating elements and thus a comprehensive statement about the vibration behavior of the measured value transducer is not possible.
Weitere bekannte Prüfeinrichtungen zur Bestimmung der Schwingungseigenschaften von piezoelektrischen Meßwertaufnehmern funktionieren auf ähnliche Weise über eine Anregung der piezoelektrischen Meßelemente durch Stoßwellen - beispielsweise erzeugt durch ein Stoßwellenrohr - oder durch pneumatisch oder hydraulisch erzeugte Drucksprünge, wobei in diesen Pällen ebenfalls das über den piezoelektrischenOther known test equipment for determining the Vibration properties of piezoelectric transducers work in a similar way via an excitation of the piezoelectric measuring elements by shock waves - for example generated by a shock wave tube - or by pneumatically or hydraulically generated pressure jumps, whereby in these palls also the one above the piezoelectric
Effekt erhaltene Antwortsignal ausgewertet wird. Diese Methoden bzw. Prüfeinrichtungen werden heute hauptsächlich für instationäre Messungen, wie etwa in e'er Baixistik, herangezogen, ergeber jedoch aufgrund der begrenzten Anregungsmöglichkeiten kein vollständiges Bild der Schwingungseigenschaften der geprüften Ließ wert aufnehmer.Effect received response signal is evaluated. These methods or test facilities are mainly used today for transient measurements, such as in e'er Baixistik, However, due to the limited possibilities for excitation, it does not provide a complete picture of the vibration properties of the measured value transducers tested.
»Veiters sind Meßanordnungen bekannt, die über elektrodynamische Schwingsysteme sinusförmige Schwingamplituden erzeugen, wobei die auf den zu prüfenden Meßwertaufnehmer beispielsweise auf einen sogenannten Rütteltisch übertragenen Schwingungen über ein Meß- und Regelsystem auf konstante Werte eingeregelt werden. Diese Prüfung wird hauptsächlich zur Vermessung von Accelerometern mit niedriger Eigenfrequenz herangezogen, da mit den elektrodynamischen Schwingsystemen nur ein kleiner Frequenzbereich bis einige kHz überstrichen v/erden kann und auch sehr aufwendige ließaoparaturen erforderlich sind. Schließlich ist es auch bekannt, die piezoelektrischen Heizelemente eines Meßwertaufnehmers über den inversen piezoelektrischen Effekt zu mechanischen Schwingungen anzuregen und diese Schwingungen sodann über einen in der Prüfeinrichtung außerhalb des zu prüfenden Meßwertaufnehmers angeordneten Kondensator, dessen eine Elektrode unmittelbar mit den zu den Schwingungen angeregten ^eßelementen in Verbindung steht, auszuwerten. Bei piezoelektrischen Druckaufnehmern, deren Meßelemente unmittelbar mit einer vom zu messenden Druck beaufschlagbaren Membrane in Verbindung stehen, wird dabei üblicherweise diese Membrane unmittelbar als eine Elektrode des Auswertekondensators verwendet. Eine ähnliche bekannte Prüf einriciitung basiert darauf, da.? die piezoelektrischen Ließelemente des L"efv:ertaufnehmers direkt über die elektrostatische Anziehunr, die zwischen einer äußeren Elektrode und der Ilem-»Veiters are familiar with measuring arrangements which generate sinusoidal oscillation amplitudes via electrodynamic oscillation systems, where on the transducer to be tested, for example The vibrations transmitted to a so-called vibrating table are kept constant via a measuring and control system Values are adjusted. This test is mainly used to measure accelerometers with a low natural frequency used because with the electrodynamic oscillation systems only a small frequency range up to a few kHz can be painted over and also very complex letting repairs required are. Finally, it is also known, the piezoelectric heating elements of a transducer To stimulate mechanical vibrations via the inverse piezoelectric effect and then to excite these vibrations one arranged in the test device outside of the transducer to be tested, one of which Electrode is directly connected to the vibrations excited ^ eßelemente in connection. at piezoelectric pressure transducers whose measuring elements are directly with one that can be acted upon by the pressure to be measured Diaphragm are connected, this diaphragm is usually used directly as an electrode of the evaluation capacitor used. A similar well-known testing device based on there.? the piezoelectric elements of the flow sensor directly via the electrostatic attraction, between an external electrode and the Ilem-
-" bran des Lleßv/ertaufnehmers bei Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht, zu Schwingungen angeregt werden. Da diese elektrostatischen Anziehungskräfte extrem klein sind ergeben sich auch sehr kleine auszuwertende piezoelektrische Signale, weshalb diese iiethode nur für ileßwertaufnehmer mit einer hohen Kraft- bzw. Druckempfindlichkeit zur Prüfung- "bran of the Lleßv / ertaufnehmer when applying an electrical Tension arises and vibrations are stimulated. This one electrostatic attractive forces are extremely small, there are also very small piezoelectric forces to be evaluated Signals, which is why this iiethode is only used for measuring sensors with a high force or pressure sensitivity for testing
ausreichend ist. Abgesehen davon haben die beiden zuletzt genannten bekannten Methoden bzw. Einrichtungen den gravierenden Nachteil, daß die zu prüfenden Meßwertaufnehmer in eine sehr stabile Apparatur eingespannt werden müssen, damit eine planparallele Justierung der zusätzlichen äußeren Elektrode mit großer Genauigkeit möglich ist. Der Heßwertaufnehmer selbst bzw. seine Membrane muß weiters hochpräzise poliert werden um das Anlegen der erforderlichen hohen Gleich- bzw. Wechselspannungen zu ermöglichen. Allen der genannten Einrichtungen gemeinsam ist der Nachteil, daß der Meßwertaufnehmer zum Zwecke der Prüfung seiner Schwingungseigenschaften nicht in-der Anordnung belassen werden kann, in welcher er üblicherweise im normalen IJeCbetrieb eingesetzt ist. Damit ist es nicht möglich die Auswirkungen der bei jeder Meßaufgabe in unterschiedlichem !,laße auftretenden Umgebungseinflüsse auf den Heßwertaufnehmer zu berücksichtigen, welche z. B. darin bestehen können, daß der Meßwertaufnehmer bzw. sein Gehäuse im etwa in eine Indizierbohrung in der Y/and eines Druckraumes eingeschraubten Zustand wechselnden mechanischen oder thermischen Belastungen unterworfen ist, welche sich in ungünstigen Fällen auch unmittelbar beispielsweise auf die Vorspannung der Meßelemente selbst oder auf andere die Schwingungseigenschaften beeinflussende Größen auswirken können. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es möglich ist,ausschließlich über die beim jeAveiligen Meßwert aufnehmer für die Ladungsableitung im normalen Meßbetrieb vorgesehenen Ableitanschlüsse die Schwingungseigensciiaften des Ließwertaufnehmers zu prüfen, auch wenn dieser am Orte seiner normalen Verwendung zur Aufnahme von I'ieF-werten angeordnet ist.is sufficient. Apart from this, the two last-mentioned known methods and devices have the serious disadvantage that the transducers to be tested must be clamped in a very stable apparatus so that a plane-parallel adjustment of the additional outer electrode is possible with great accuracy. The measured value transducer itself or its membrane must also be polished with high precision in order to enable the application of the required high DC or AC voltages. All of the devices mentioned have the disadvantage that the transducer cannot be left in the arrangement in which it is usually used in normal IJeC operation for the purpose of checking its vibration properties. This means that it is not possible to take into account the effects of the environmental influences on the Heßwertaufnehmer, which occur differently in each measurement task. B. may consist in the fact that the transducer or its housing is subjected to changing mechanical or thermal loads in the approximately screwed-in state in an indexing hole in the Y / and a pressure chamber, which in unfavorable cases also directly, for example, on the bias of the measuring elements themselves or can affect other variables influencing the vibration properties. The present invention is based on the object of improving a test device of the type mentioned at the beginning so that it is possible to test the vibration properties of the measured value sensor exclusively via the discharge connections provided for the charge dissipation in normal measuring operation of the respective measured value sensor, even if it is in place its normal use is arranged for the recording of low values.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß dac MeSsystem eine Subtraktionseinheit umfaßt, an deren einem .Eingang das Anregungssirnal des Wechselspannungsgenerators liegt und deren anderer Eingang mit dem Ableitanschluß des Meßwertaufnehmers verbindbar ist, und daß weiters eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, welche mit dem Ausgang derThis is achieved according to the invention in that dac MeSsystem comprises a subtraction unit, one of which .Input the excitation signal of the alternating voltage generator and whose other input can be connected to the discharge connection of the transducer, and that furthermore an evaluation device is provided, which with the output of the
Subtraktionseinheit verbunden ist und das als Differenz aus dem Antwortsignal des Meßwertaufnehmers und einem dem Anregungssignal proportionalen Signal gewonnene Meßsignal anzeigt bzw, "-eiterverarbeitet. Die über den an den normalen Ableitansehlüssen des Meßwertaufnehmers angeschlossenen Y/echselspannungsgenerator erregten mechanischen Schwingungen im lüeßelement führen ihrerseits über den normalen piezoelektrischen Effekt zu einem Antwortsignal? welches allerdings noch mit Teilen des Anregungssignals vermischt ist. Über die Subtraktionseinheit ist es nun möglich, den vom Anregungssignal stammenden Anteil des Antwortsignals von diesem abzuziehen, wodurch unmittelbar das die Schwingungseigenschaften des geprüften Meßwertaufnehmers kennzeichnende Meßsignal als Wechselspannungssignal mit gleicher Frequenz wie das Anregungssignal des Wechselspamiungsgenerators erhalten wird. Die angeschlossene Auswerteeinrichtunr kann nun beispielsweise dazu dienen, dieses Meßsignal über in der Elektronik übliche Gleichrichtungsschaltungen in ein amplitudenproportionales ^leichspannungssignal umzusetzen und etwa zusätzlich auch die Phasenlage dieses lleßsignals in Bezug auf das Anregungssignal über Phasenmeßschaltungen zu bestimmen. Diese das Meßsignal in eindeutiger Weise bestimmenden Werte können sodann beispielsweise analog oder digital angezeigt, auf einem Schreiber a.usgeschrieben, oder in einem Speicher zur 7/eiterverarbeitung abgespeichert werden. Mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung ist es also auch möglich einen beispielsweise in eine Indizierbohrung einer Druckraumbegrenzung eingesetzten lie ß-.vertauf nehmer lediglich durch Verbinden von dessen vorhandenen Ableitansehlüssen mit dem elektrischen Lüeßsystem im Bezug auf seine Schwingungseigenschaften zu untersuchen. Damit sind sämtliche im Horrr-aleinsatz des Ileßv/ertaufr.ehmers dessen Punktion und insbesondere Schwingungseigensehaften beeinflussenden Umgebungseinflüsne bei der Bestimmung der Schwingungseigenschaften mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung direkt mitberücicsiclitigbar, was eine sehr praxisnahe Prüfung erlaubt.Subtraction unit is connected and the measured signal obtained as the difference between the response signal of the transducer and a signal proportional to the excitation signal displays or "-processed piezoelectric effect to a response signal - which is, however, still mixed with parts of the excitation signal. Using the subtraction unit, it is now possible to subtract the portion of the response signal originating from the excitation signal, whereby the measurement signal characterizing the vibration properties of the tested transducer is immediately available as an alternating voltage signal with the same frequency how the excitation signal of the alternating voltage generator is obtained k to convert conventional rectification circuits into an amplitude-proportional light voltage signal and, for example, also to determine the phase position of this lleßsignal in relation to the excitation signal via phase measuring circuits. These values which clearly determine the measurement signal can then be displayed in analog or digital form, written out on a recorder, or stored in a memory for further processing. With the test device according to the invention, it is also possible to examine a let ß-.vertauf taker used, for example, in an indexing bore of a pressure chamber delimitation, merely by connecting its existing discharge connections to the electrical Lüeßsystem with regard to its vibration properties. This means that all environmental influences that influence the puncture and in particular the vibration properties when the vibration properties are determined with the test device according to the invention can be directly taken into account when the test device according to the invention is used, which allows a very practical test.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daßIn a further development of the invention it is provided that
das Meßsystem zusätzlich einen eigenen Spannungsteiler "beinhaltet, daß der Meßwertaufnehmer im angeschlossenen Zustand einen Teil dieses Spannungsteilers bildet und daß das Antwortsignal des Meßwertaufnehmers "bei Anregung über den Wechselspannungsgeneratar an dem anderen "bzw. einem der anderen Teile des Spannungsteilers abgenommen wird. Über diesen Spannungsteiler können die phasendrehenden Glieder des Meii systems, wie Kabelkapazitäten, Eingangskapazitäten der Subtraktionseinheit, Streukapazitäten im Meßwertaufnehmer sowie die Kapazität der Meßelemente selbst kompensiert werden. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Spannungsteiler ein einstellbares Glied aufweist, über welches auch die unterschiedlichen Eigenschaften von verschiedenen Meßwertaufnehmern bzw. Meßwertaufnahmesystemen berücksichtigt werden können.the measuring system also contains its own voltage divider ", that the transducer forms part of this voltage divider when connected and that the response signal of the transducer "when stimulated via the alternating voltage generator at the other" or one of the other parts of the voltage divider. The phase-rotating members can use this voltage divider of the Meii system, such as cable capacities, input capacities of the subtraction unit, stray capacitances in the transducer as well as the capacity of the measuring elements themselves can be compensated. It is particularly advantageous if according to a further proposal of the invention, the voltage divider has an adjustable member, via which also the different properties of different transducers or measurement recording systems can be taken into account.
Bei einer Prüfeinrichtung, bei v/elcher eine Ableitelektrode des zu prüfenden Ileßwertaufnehmers an der Gehäusemasse liegt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der zu prüfende Meßwertaufnehmer im erdseitigen Teil des einseitig geerdeten Spannungsteilernetzwerkes liegt. Durch den vorzugsweise mit phasendrehenden Widerständen oder einer Kombination von phasendrehenden und ohmschen Widerständen versehenen Spannungsteiler ist also in diesem Falle eine Impedanzschaltung gebildet. Der zu prüfende Meßwertaufnehmer kann bei dieser Impedanzschaltung in jede geerdete Prüfeinrichtung ohne weitere Vorkehrungen eingebaut werden. Dies ist besonders vorteilhaft für piezoelektrische Meßwertaufnehmer mit einem Ladungsaufnahmekontakt, bei dem eine Elektrode des Heßelementes mit dem Gehäuse des Meßwertaufnehmers leitend verbunden ist.At a test facility, at v / elcher a lead electrode of the Ileßwertaufnehmer to be tested is on the housing ground, is in a further embodiment of the invention It is provided that the transducer to be tested is in the earth-side part of the voltage divider network which is earthed on one side lies. By preferably using phase-rotating resistors or a combination of phase-rotating resistors and voltage divider provided with ohmic resistors, an impedance circuit is formed in this case. Of the With this impedance circuit, the transducers to be tested can be installed in any earthed test device without further precautions to be built in. This is particularly advantageous for piezoelectric transducers with a charge receiving contact, in which one electrode of the heating element is conductively connected to the housing of the transducer.
Soferne der zu prüfende Meßwertaufnehmer einen zweipoligen Ableitanschluß aufweist ist die Prüfeinrichtung in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung so aufgebaut, äa.B der Meßwertaufnehmer im spannungsseitigen Teil des einseitig geerdeten Spannungsteilers liegt, wodurch eine sogenannte Admittanzschaltung gebildet ist, bei welcher die Kabelkapazitäten einen kapazitiven Widerstand gegen die Erde bil-As long as the transducer to be tested has a two-pole discharge connection, the test device is constructed in an advantageous embodiment of the invention so that the transducer is located in the voltage-side part of the voltage divider grounded on one side, whereby a so-called admittance circuit is formed in which the cable capacitances have a capacitive resistance to the Earth
den und den Widerstand des erdseitigen Teiles zuzurechnen sind, sodaß nur die Kapazitäten und Innenwiderstände des Meßwertaufnehmers zu der elektrischen Rückwirkung "beitragen. Da die Kabelkapazitäten bei kurzen Meßkabeln in der Größenordnung der Kapazität des Meßwertaufnehmers liegen, bildet der Innenwiderstand und die Kapazität des Einganges der Subtraktionseinheit gegen Erde die Beschränkung der Meßempfindlichkeit. Da beispielsweise bei Feldeffekttransistoren die Eingangswiderstände in der Größenordnung von 10 Ohm und die Eingangskapazitäten bei 30 ρ Ρ liegen, können damit sehr empfindliche Prüfeinrichtungen auch für extrem kleine piezoelektrische Meßelemente bzw. Meßwertaufnehmer gebaut werden.the and the resistance of the earth-side part are to be added, so that only the capacities and internal resistances of the transducer contribute to the electrical reaction ". Since the cable capacities of short measuring cables are in the order of magnitude of the capacitance of the transducer, forms the internal resistance and the capacitance of the input of the subtraction unit to earth the restriction of the Measurement sensitivity. As, for example, with field effect transistors the input resistances are of the order of 10 ohms and the input capacitances are 30 ρ Ρ, can therefore also be used for very sensitive test equipment extremely small piezoelectric measuring elements or transducers are built.
Es besteht jedoch auch bei Meßwertaufnehmern mit nur einem Ladungsabnalimekontakt die Möglichkeit sie in einer derartigen Admittanzschaltung zu prüfen. Zu diesem Zweck wird das Anregungssignal des Wechselspannungsgenerators an das Gehäuse des Meßwertaüfnehmers angelegt und das Antwortsignal am Ladungsabnahmekontakt abgenommen, wobei jedoch ein Kompensationswiderstand angeschlossen sein muß.However, it also applies to transducers with only a charge abnalime contact the possibility of them in one to check such an admittance circuit. To this end becomes the excitation signal of the alternating voltage generator applied to the housing of the transducer and the response signal removed at the charge removal contact, but a compensation resistor must be connected.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Subtraktionseinheit einen Differenzverstärker oder einen Operationsverstärker mit Differenzverstärkereingang beinhaltet. Am Ausgang dieses Verstärkers wird unmittelbar die elektrische Rückwirkung des piezoelektrischen Meßelementes als Wechselspannungssignal mit gleicher Frequenz wie das Anregungssignal erhalten, soferne die noch vorhandenen Teile des Anregungssignals sauber vom Antwortsignal getrennt sind, wozu insbesonders eine sehr gute Gleichtaktunterdrückung dieses Verstärkers beiträgt.In a further embodiment of the invention it is provided that the subtraction unit is a differential amplifier or includes an operational amplifier with differential amplifier input. At the output of this amplifier is immediately the electrical reaction of the piezoelectric measuring element as an alternating voltage signal with the same frequency as receive the excitation signal, provided that the remaining parts of the excitation signal are cleanly separated from the response signal are, to which in particular a very good common-mode rejection of this amplifier contributes.
Im Lleßsystem ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein weiterer abgleichbarer Spannungsteiler vorgesehen, der mit der Subtraktionseinheit verbunden ist und eine Subtraktionsspannung liefert, mit welcher die aufgrund der Parallelwiderstände des zu prüfenden Meßwertaufnehmers bzw. des Anschlußkabels auftretende elektrische Rückwirkung des Anregungssignals kompensiert ist. Das eigentliche ließsignal, also die elektrische Rückwirkung des Meßwertaufnehmers nußIn the Lleßsystem is a further embodiment of the invention another adjustable voltage divider is provided which is connected to the subtraction unit and a Subtraction voltage supplies with which the due to the Parallel resistances of the transducer to be tested or the connection cable occurring electrical reaction of the Excitation signal is compensated. The actual letting signal, so the electrical reaction of the transducer nut
aus dem Antwortsignal derart rekonstruiert werden, daß diejenigen Anteile des Anregungssignals, die durch Par. aUelwiderstände im Meßwertaufnehmer oder im Zuleitungska-"bel auftreten, vom Antwortsignal wieder abgezogen werden. Diese Parallelwider stände können "bei Frequenzen des Anregungssignals, die keine Resonanzen des Meßwertaufnehmers bzw. Meßwertaufnahmesystems anregen ausgemessen und der Anteil des Anregungssignals im Antwortsignal auf diese Weise rechnerisch ermittelt werden. Ein Feinabgleich dieser Parallelwiderstände kann beispielsweise auch durch Einstellung der Phasenlage des Antwortsignals auf Hull oder auf kleine negative Werte bzw. durch einen Abgleich dieses weiteren Spannungsteilers auf die Symmetrie einer Resonanzkurve im Antwortsignal erfolgen. Weiters kann beispielsweise auch der Verlauf der Phase des Meßsignals wenn der weitere Spannungsteiler nicht richtig abgestimmt ist als Meßgröße ausgewertet werden. .are reconstructed from the response signal in such a way that those components of the excitation signal which are determined by par in the transducer or in the supply cable occur, are subtracted again from the response signal. These parallel resistances can "at frequencies of the excitation signal, which do not excite any resonances in the transducer or the measurement recording system, and the proportion of the excitation signal in the response signal can be calculated in this way. A fine adjustment of this Parallel resistances can, for example, also be achieved by setting the phase position of the response signal to Hull or to small negative values or by adjusting this additional voltage divider to the symmetry of a resonance curve take place in the response signal. Furthermore, for example, the course of the phase of the measurement signal can also be used if the further The voltage divider is not correctly adjusted to be evaluated as a measured variable. .
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß der die Subtraktionsspannung liefernde weitere Spannungsteiler grob auf eine jeweils zu prüfende Serie von gleichartigen Meßwertaufnehmern abgleichbar ist, daß sowohl das Anregungssignal als auch das Antwortsignal mittels eines Analog-Digital-Konverters digitalisiert werden und daß die Pein-Kompensation der Rückwirkung des Anregungssignals über digitale Signalverarbeitung erfolgt. Durch die damit zumindest teilweise erfolgende analoge Subtraktion der abzuziehenden Teile des Anregungssignals ist ein Grobabgleich der Prüfeinrichtung auf die Art der jeweils zu prüfenden Ließwert auf nehmer möglich, wodurch die Verwendung von Analog-Digital-Konvertern mit geringer Bitauflösung für den Peinab?leich möglich ist. Dieser Peinabglei'ch kann sodann über digitale Signalverarbeitung erfolgen.According to a further proposal of the invention it is provided that the further voltage divider supplying the subtraction voltage is roughly based on a series of similar transducers can be adjusted that both the excitation signal and the response signal are digitized by means of an analog-digital converter and that the Pein compensation of the reaction of the excitation signal takes place via digital signal processing. Through the The analog subtraction of the parts of the excitation signal to be withdrawn, which is at least partially carried out, is a coarse adjustment the test device on the type of measured value to be tested on taker possible, thereby the use of analog-to-digital converters with low bit resolution for the painful adjustment is possible. This painful comparison can then take place via digital signal processing.
Die Subtraktionseinheit kann in "Weiterbildung der Erfindung auch von einer Heßbrückenschaltung gebildet sein, wobei der zu prüfende Meßwertaufnehmer in einen Zweig dieser ließbrückenschaltung und ein gleichartiger iJeßwertaufnehaer in einen anderen Zweig so einschaltbar sind, daß sich die elektrische Rückwirkung des Anregungssignals korn-The subtraction unit can in "a further development of the invention also be formed by a Hessbrückenschaltung, with the transducer to be tested in a branch this bridge circuit and a similar iJeßwertaufnehaer can be switched into another branch in such a way that the electrical reaction of the excitation signal
pensiert, wobei weiters die Umgebungsbedingungen des zu prüfenden Meßwertaufnehmers zur Simulierung von verschiedenen Anwendungsbedingungen veränderbar aina. Diese Anordnung erincc"1 iclit es auf sehr einfache Weise das Schwingungsverhalten eines zu prüfenden Meßwertaufnehmers in Abhängigkeit von wechselnden äußeren Einflüssen wie beispielsweise Druck oder Temperatur oder dgl., zu bestimmen. Da sich die Umgebungsbedingungen für den zweiten, gleichartigen Meßwertaufnehmer in der'Meßbrückenschaltung nicht ändern,wird das erhaltene Meßsignal tatsächlich für die Änderung der Schwingungseigenschaften aufgrund der jeweils geänderten Umgebungsbedingungen für den zu prüfenden Meßwertaufnehmer signifikant sein.pensated, furthermore the environmental conditions of the transducer to be tested can be changed to simulate different application conditions. This arrangement erincc "1 iclit it in a very simple manner, the vibration behavior to determine an under test transducer in response to changing external influences such as pressure or temperature, or the like.. As the ambient conditions for the second similar transducer in der'Meßbrückenschaltung not change, the measurement signal obtained will actually be significant for the change in the vibration properties due to the changed environmental conditions for the transducer to be tested.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dai? der für die Messung mit dem zu prüfenden .:ießwertaufnehmer im normalen Ließbetrieb üblicherweise vorhandene Ladungsverstärker unmittelbar auch einen Teil der Subtraktionseinheit bildet. Damit ist ein wesentlicher Teil der normalen Meßeinrichtung bzw. Ließ schaltung auch gleichzeitig als Bestandteil der Prüfeinrichtung für den Meßwertauf nehiaer verwendet, was einerseits die zusätzlichen Kosten für eine derartige Prüfeinrichtung senkt und andererseits die laufende Überwachung der Schwingungseigenschaften des lie ßwert aufnehme rs auch im normalen Meß- betrieb sehr erleichtert. Durch einen in der Schaltungsanordnung angeordneten Umschalter kann beispielsweise eine unmittelbare Umschaltung der Punktion des Verstärkers und damit Unschal tung vom Ließbetrieb auf den Prüf betrieb durchgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that? the one for the measurement with the to be tested. : ießwertaufnehmer in normal Ließbetrieb usually existing charge amplifiers directly also forms part of the subtraction unit. Thus, a substantial portion of the normal measuring and Ran circuit at the same time as part of the testing device for the Meßwertauf used nehiaer, which on the one hand reduces the additional cost of such a test device and on the other hand, the continuous monitoring of the vibration characteristics of the lie ßwert receiving RS in the normal measurement - operation very relieved. By means of a changeover switch arranged in the circuit arrangement, for example, an immediate changeover of the puncture of the amplifier and thus disconnection from Ließbetrieb to test operation can be carried out.
Besonders vorteilhaft ist es weiters, wenn das i.le3-system in unmittelbarer ITahe des zu prüfenden 1.IeTwertaufnehmer ε angeordnet, vorzugsweise direkt in diesen integriert ir.t, da damit die negativen Auswirkungen längerer Anschlußkabel auf die IJeßgencuigkeit entfallen.It is also particularly advantageous if the i.le3 system in the immediate vicinity of the 1st leverage sensor to be tested ε arranged, preferably integrated directly into this ir.t, since this means that the negative effects are longer Connection cable to the IJeßgencuigkeit omitted.
Schließlich ist gemäß der Erfindung auch noch vorgesehen, daß das Ließ sy st em einen Mikroprozessor oder liikrokomputer zur Steuerung des Prüfvorganges und/oder zur Signalverarbeitung umfaßt, was die gesamte PrüfprozedurFinally, according to the invention, it is also provided that the Lie system is a microprocessor or liikrokomputer for controlling the test process and / or for signal processing includes what the entire test procedure
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vereinfacht. :simplified. :
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing.
Pig. 1 zeigt die Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung für einen Meßwertaufnehmer mit zweipoliger Ableitung in Admittanzschaltung, Pig. 1 shows the embodiment of an inventive Test device for a transducer with two-pole derivation in admittance circuit,
Pig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung für einen Meßwertaufnehmer mit einPig. FIG. 2 shows another embodiment according to FIG Invention for a transducer with a
poliger Ableitung in Impedanzschaltung, Pig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß derpole lead in impedance circuit, Pig. 3 shows a further embodiment according to FIG
Erfindung mit einer Meßbrückenschaltung, Pig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Prüfeinrichtung mit einem Synchrongleichrichter undInvention with a measuring bridge circuit, Pig. 4 shows a test device according to the invention with a synchronous rectifier and
Pig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel nach derPig. 5 shows another embodiment according to FIG
Erfindung mit einem Ladungsverstärker. Die Prüfeinrichtung^nach Pig. t zeigt einen zu prüfenden Meßwertaufnehmer mit zwei Ladungsabnahmekontakten 1, 2, wobei das piezoelektrische Meßelement 3 gegenüber dem Gehäuse 4 des Meßwertaufnehmers elektrisch isoliert eingebaut ist. Diese Prüfeinrichtung beinhaltet einen durchstimmbaren Prequenzgenerator 5 mit geringem Klirrfaktor, einen phasendurchstimmbaren Spannungsteiler 6 und einen V^. 25 Differenzverstärker 7, welcher hochohmige Eingänge und eine sehr gute Gleichtaktunterdrückung aufweist. Am Ausgang des Differenzverstärkers 7 ist weiters ein Wechselspannungsmeßgerät 8 zur Anzeige des Meßsignals angeschlossen. Der Widerstand 9 dient zur Kompensation des Eingangsstromes und bildet mit dem Eingangswiderstand des nichtinvertierenden Einganges des Spannungsteilers mit dem piezoelektrischen Sensor einen Spannungsteiler an dem das Antwortsignal des Sensors abgenommen wird. Die Kompensation des Anteiles des Anregungssignales vom Antwortsignal wird durch die Subtraktionseinheit 1.0. vorgenommen, wobei am Spannungsteiler 6 der Subtraktiohswert der Anregungsspannung eingestellt und im Differenzverstärker 7 die Subtraktion vorgenommen wird. Die eigentliche Subtraktions-Invention with a charge amplifier. The testing device ^ according to Pig. t shows one to be tested Measuring sensor with two charge acceptance contacts 1, 2, the piezoelectric measuring element 3 being installed so as to be electrically insulated from the housing 4 of the transducer is. This test device contains a tunable frequency generator 5 with a low distortion factor, a phase-adjustable voltage divider 6 and a V ^. 25 differential amplifier 7, which high-impedance inputs and has very good common mode rejection. At the output of the differential amplifier 7 there is also an alternating voltage measuring device 8 connected to display the measurement signal. The resistor 9 is used to compensate for the input current and forms with the input resistance of the non-inverting input of the voltage divider with the piezoelectric sensor has a voltage divider from which the response signal of the sensor is picked up. The compensation the proportion of the excitation signal from the response signal is 1.0 by the subtraction unit. made, the subtraction value of the excitation voltage set at the voltage divider 6 and the Subtraction is made. The actual subtraction
einheit ist strichpunktiert eingezeichnet und mit 10 "bezeichnet. unit is shown in dash-dotted lines and labeled 10 ".
Pig. 2 zeigt eine Prüfeinrichtung füi einen Meßwertaufnehmer mit nur einem eigenen Ladungsabnahmekontakt 11, wobei die andere Elektrode des piezoelektrischen Meßelementes 13 mit dem Gehäuse 14 des Meßwertaufnehmers elektrisch leitend verbunden ist. Das Antwortsignal des Meßwertaufnehmers wird am Anschlußpunkt 12 des Meßwertaufnehmers an den Meßwiderstand 19 abgenommen und mit Hilfe des Differenzverstärkers 17 wird vom Antwortsignal ein Teil des Anregungssignals, der am Spannungsteiler 16 einstellbar ist, subtrahiert. Am Ausgang des Differenzverstärkers 17 kann das lleßsignal mit Hilfe eines Wechselspannungsvoltmeters 18 angezeigt oder aber einem Schreiber 20 zugeführt werden. Die Subtraktionseinheit ist wiederum strichpunktiert eingezeichnet und hier mit 10' bezeichnet.Pig. 2 shows a test device for a transducer with only one own charge acceptance contact 11, the other electrode of the piezoelectric measuring element 13 being electrically connected to the housing 14 of the transducer is conductively connected. The response signal of the transducer is at connection point 12 of the transducer is removed to the measuring resistor 19 and with the help of the differential amplifier 17 is a response signal Part of the excitation signal that can be set at the voltage divider 16 is subtracted. At the output of the differential amplifier 17, the lleßsignal can be measured with the aid of an alternating voltage voltmeter 18 displayed or a clerk 20 are fed. The subtraction unit is again shown in dash-dotted lines and denoted here by 10 '.
In Fig. 3 ist eine Prüfeinrichtung mit einer Admittanzschaltung für einen mit zwei eigenen Ladungsabnähmekontakten 21, 22 versehenen Ließwertaufnehmer dargestellt.In Fig. 3 is a test device with an admittance circuit for one with two own charge acceptance contacts 21, 22 provided measured value transducers are shown.
Weiters ist ein aus den einigt ellbaren Widerständen 27, 28, 29 bestehender Spannungsteiler und ein weiterer Referenz-Spannungsteiler 26 vorgesehen. Die Widerstände 27 und 29 dienen dabei zur Kompensation ohmscher Verluste in den Leitungen und im Meßwertaufnehmer selbst sowie des EingangswiderStandes und zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung des Operationsverstärkers, der einstellbare Kondensator 28 dient zum Abgleichen der Kapazität des Meßwertaufnehmers und der Kabelkapazitäten. Der Operationsverstärker 30 ermittelt die elektrische Rückwirkung des LieSwertaufnehmers durch Subtraktion eines Teiles des Anregungssignals, welcher am Spannungsteiler 26 abgenommen wird, vom Antwortsignal des I.Ießwertaufnehmers. Für Meßwertaufnehmer mit nur einem eigenen Ladungsabnahmekontakt müßte das Anregungssignal des Wechselspannungsgenerators an das Gehäuse 24 des Lüeßwertaufnehmers und der Ladungsabnahmekontakt an die Widerstände 27, 28, 29 und an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 angelegt werden. Die Subtraktionseinheit ist auch hierFurthermore, one of the various resistors 27, 28, 29 existing voltage divider and another reference voltage divider 26 provided. The resistors 27 and 29 are used to compensate for ohmic losses in the Lines and in the transducer itself as well as the input resistance and to improve the common mode rejection of the operational amplifier, the adjustable Capacitor 28 is used to balance the capacitance of the transducer and the cable capacitance. The operational amplifier 30 determines the electrical feedback of the LieS value transducer by subtracting part of the excitation signal, which is taken from the voltage divider 26, from the response signal of the I.Ießwertaufnehmer. For transducers The excitation signal of the alternating voltage generator would have to have only its own charge removal contact to the housing 24 of the Lüeßwertaufnehmer and the charge acceptance contact to the resistors 27, 28, 29 and to the non-inverting input of the operational amplifier 30 be created. The subtraction unit is also here
wiederum strichpunktiert umgrenzt und mit 10" "bezeichnet. Am Ausgang der Subtraktionseinheit 10" ist wiederum ein Wechselspannungsmeßgerät 31 zur Anzeige der Amplitudenhöhe des Meßsignals angeschlossen.again delimited by dash-dotted lines and denoted by 10 "". At the output of the subtraction unit 10 ″ there is again an AC voltage measuring device 31 for displaying the amplitude level of the measuring signal connected.
Pig. 4 zeigt eine Prüfeinrichtung mit einem steuerbaren Wechselapannun£sgenerator 35 sowie einem über eine Kapazitätsdiode 33 abstimmbaren Spannungsteiler 36, über welchen die Phasendrehung des vom Antwort-Signal des zu prüfenden Meßwertaufnehners 32 abzuziehenden Subtraktionssignals durch einen Mikroprozessor 42 über einen Analog-Digital-Konverter■43 eingestellt werden kann. Das Meßsignal wird über den phasendrehenden Widerstand 39» der mit dem Ladungsabnahmekontakt des Meßwertaufnehmers 32 verbunden ist, gewonnen. Durch die Subtraktion des Antwortsignales des Meßwertaufnehmers vom .Anregungssignal- mit Hilfe der Subtraktionseinheit 10"', die den Operationsverstärker 44 beinhaltet, erhält man unmittelbar die elektrische- Rückwirkung des Meßwertaufnehmers als Wechselspannungssignal. In der angeschlossenen Synchrongleichrichterschaltung erfolgt durch die Multiplizierer 37 eine phasenstarre Gleichrichtung des Meßsignals, die durch einen integrierenden Tiefpaß 38 von den hochfrequenten Multiplikationspro'dukten abgetrennt . wird. Durch eine um 90 verschobene Synohrongl ei einrichtungPig. 4 shows a test device with a controllable alternating voltage generator 35 and one via a Capacitance diode 33 tunable voltage divider 36, via which the phase rotation of the response signal of the to test transducer 32 to be deducted subtraction signal by a microprocessor 42 via an analog-to-digital converter 43 can be adjusted. The measuring signal is transmitted via the phase-rotating resistor 39 »with the is connected to the charge removal contact of the transducer 32, obtained. By subtracting the response signal of the transducer from the .Excitation signal- using the Subtraction unit 10 "', which contains the operational amplifier 44, the electrical feedback is obtained directly of the transducer as an alternating voltage signal. In the connected synchronous rectifier circuit a phase-locked rectification of the measurement signal by the multipliers 37, which is effected by an integrating low-pass filter 38 separated from the high-frequency multiplication products. will. By a synohrongl ei device shifted by 90
wird der Vektoranteil des phasenverschobenen Signals der \_ 25 elektrischen Rückwirkung erhalten. Über einen Multiplexer 40 und den Analog-Digital-Wandler 41 werden die Amplitudenvektoren in den Mikroprozessor 42 eingelesen. Sie können sodann in Amplitude und Phase umgerechnet werden und sind weiters über die Schnittstelle 45 abrufbar. Verwendet man den Operationsverstärker 44 gleichzeitig auch als Ladungsverstärker so können die Meßwerte des !.Ie-I: v/er tauf nehme rs über eine Fourier-Transformation im Mikroprozessor 42 korrigiert werden. Die eigentliche Subtraktionseinheit ist auch hier wiederum strichpunktiert umrandet und mit 10"' bezeichnet.the vector component of the phase-shifted signal of the electrical reaction is obtained. Via a multiplexer 40 and the analog / digital converter 41, the amplitude vectors are read into the microprocessor 42. You can are then converted into amplitude and phase and can also be called up via the interface 45. If you use the operational amplifier 44 at the same time as a charge amplifier so the measured values of the! .Ie-I: v / er can take up rs corrected via a Fourier transformation in the microprocessor 42 will. The actual subtraction unit is here again bordered by dash-dotted lines and with 10 "' designated.
In Fi^. 5 ist eine Prüfeinrichtung dargestellt, mit welcher alternativ die Schv/in^ungceigenschaften des Meßwertaufnehmers 51 bestimmt v/erden können oder unmittelbarIn Fi ^. 5 shows a test device with which, alternatively, the speed characteristics of the transducer 51 can be grounded or directly
Messungen mit dem ließwertaufnehmer 51 durchführbar sind. Der 7/echselspannungsgenerator 55 liefert das Anregungssignal, das über eine Schaltebene 5^ a au. einen phaseneinstellbaren Spannungsteiler 52 angelegt wird. Das Antwortsignal des zu prüfenden Heßwertaufnehmers 51 wird über einen Operationsverstärker 54 verstärkt und durch einen weiteren Operationsverstärker 56 wird die elektrische Rückwirkung des l'eßwertauf nehmers, also das eigentliche üeirsignal, durch Subtraktion eines entsprechenden Teiles des Anregungssignalε ermittelt. Dieses Meßsignal wird über einen Präzisionsgleichrichter 58 gleichgerichtet und über ein Anzeigeinstrument 58" angezeigt. Weiters wird mit Hilfe eines Schreibers 60, an dessen einem Eingang eine frequenzproportionale Spannung des V/echselspannungsgenerators 55 liegt, eine frequenzcharakteristik des geprüften •:ieiv;ert auf nehme rs ausgeschrieben. Durch Umschalten des die-Schaltebenen 53 a, 53 b und 53 c aufweisenden Schalters wird der Operationsverstärker 54 zu einem Ladungsverstärker, dessen Ausgangssignal in einem intern oder extern getriggerten CCD-Speicher 59 zwischengespeichert und über den Schreiber 60 ausgeschrieben werden kann. Die eigentliche Subtraktionseinheit ist hier mit 10"" bezeichnet.Measurements can be carried out with the readout transducer 51. The external voltage generator 55 supplies the excitation signal, which is via a switching level 5 ^ a au. a phase adjustable Voltage divider 52 is applied. The response signal of the Heßwertaufnehmer 51 to be tested is amplified via an operational amplifier 54 and by a Another operational amplifier 56 is the electrical The reaction of the measured value transducer, that is, the actual one üeirsignal, by subtracting a corresponding part of the excitation signal determined. This measurement signal is over rectified by a precision rectifier 58 and displayed on a display instrument 58 ″ a recorder 60, at one input of which a frequency-proportional voltage of the V / echsel voltage generator 55 is a frequency characteristic of the tested •: ieiv; ert auf taker rs advertised. By switching the the switching levels 53 a, 53 b and 53 c having switch, the operational amplifier 54 becomes a charge amplifier, its output signal in an internally or externally triggered CCD memory 59 can be temporarily stored and written out via the writer 60. The real one Subtraction unit is denoted here by 10 "".
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